JP2001068015A

JP2001068015A - 電子素子

Info

Publication number: JP2001068015A
Application number: JP24228399A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kakazu; 誠嘉数; Naoki Kobayashi; 小林　　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-08-27
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】電子放出効率が向上した電子素子を提供する
こと。【解決手段】ｎ型不純物を添加した半導体薄膜２表面
が水素で終端３されており、半導体薄膜２の一端に第一
の電極６を有し、他端に第二の電極７を有し、半導体薄
膜２表面に対向する位置に第三の電極９を有し、第一の
電極６と第二の電極７の間に電圧を印加し半導体薄膜２
を加熱し、第一の電極６と第二の電極７の電位の平均値
を基準に第三の電極９の電位が正になるように第三の電
極９に電圧を印加し、真空中において半導体薄膜２表面
より電子を放出させることを特徴とする電子素子

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子素子に係り、より詳
細には、例えば、低電圧、低消費電力で動作する発光デ
ィスプレイや高周波動作可能な高周波増幅素子としての
用途をも有する電子素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電子素子の構造の一例を図８に示
す。（ａ）導電性を有する炭化シリコン基板１を用意する。（ｂ）炭化シリコン基板１上に窒化アルミニウム半導体
薄膜２を堆積する。（ｃ）基板１の裏面にカソード電極４を作製する。（ｄ）半導体薄膜表面２に対向する位置に導電性酸化す
ず９と蛍光体１０を塗付したガラス板８をプレート電極
として作製する。（ｅ）全ての構造をガラスまたは金属管１１内に真空に
封入する。（ｆ）カソード電極４が負になるように導電性酸化すず
９に電圧を印加することにより、半導体薄膜２表面より
電子が放出され、蛍光体１０に衝突し、蛍光体１０が発
光する。その光はガラス板８を通して大気中に取り出す
ことができる。

【０００３】従来の電子素子の電子放出の原理を示すバ
ンドダイヤグラムを図３（ａ）に示す。

【０００４】従来の素子では素子の構造上、動作は室温
のみで行われるので、電子はドナー準位に捕獲されたま
まで伝導帯に供給されるものはわずかである。

【０００５】さらに、図８（ｃ）の工程で半導体表面に
不可避に酸化膜が形成し、半導体中の電子は酸化膜によ
る高いエネルギー障壁を乗り越えて真空中に放出されな
ければならないため、電子の放出効率はさらに低くな
り、実用には至っていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電子放出効
率が従来に比べ著しく向上した電子素子を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の電子素子は、ｎ
型不純物を添加した半導体薄膜表面が水素で終端されて
おり、前記半導体薄膜の一端に第一の電極を有し、他端
に第二の電極を有し、前記半導体薄膜表面に対向する位
置に第三の電極を有し、第一の電極と第二の電極の間に
電圧を印加し前記半導体薄膜を加熱し、第一の電極と第
二の電極の電位の平均値を基準に第三の電極の電位が正
になるように第三の電極に電圧を印加し、真空中におい
て前記半導体薄膜表面より電子を放出させることを特徴
とする。

【０００８】本発明の電子素子は、導電性を有する基板
の面上にｎ型不純物を添加した半導体薄膜が堆積されて
おり、さらにその上に０．１ミクロンより薄いノンドー
プ半導体薄膜が堆積されており、前記ノンドープ半導体
薄膜表面が水素で終端されており、前記基板に第一の電
極を有し、前記ノンドープ半導体薄膜に第二の電極を有
し、前記ノンドープ半導体薄膜に対向する位置に第三の
電極を有し、第一の電極を基準に第二の電極に正の電圧
を印加し、第二の電極を基準に第三の電極に正の電圧を
印加し、真空中において試料表面より電子を放出させる
ことを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明においては、半導体薄膜を加熱すること
によってドナー準位から伝導帯へ電子を効率良く供給す
ること、半導体表面を清浄な状態を保つために水素原子
で半導体表面を終端し表面に酸化膜が形成されないよう
にすること、ｎ型不純物を添加した半導体中に生成され
た電子を、次の不純物を添加しない高抵抗の半導体に印
加した電界で加速し、電子を弾道的に真空中に放出させ
ることにより電子の放出効率を上げることができる。

【００１０】

【実施例】（実施例１）図１に実施例１として半導体薄
膜を加熱する例について説明する。（ａ）炭化シリコン基板１を用意する。（ｂ）炭化シリコン基板１上に窒化アルミニウム半導体
薄膜２を堆積する。（ｃ）基板１および窒化アルミニウム半導体薄膜２をフ
ッ酸に浸す。窒化アルミニウム半導体薄膜２上に水素終
端面３が形成される。（ｃ）基板１と半導体薄膜２と水素終端面３からなる試
料の一端に第一の電極６を作製する。また前記試料の他
端に第二の電極７を作製する。水素終端面３があるた
め、絶縁性の酸化膜は前記試料表面上に形成されない。（ｄ）前記試料の半導体薄膜表面２に対向する位置に導
電性をもつ酸化すず９と蛍光体１０を塗付したガラス板
８を第三の電極として作製する。（ｅ）全ての構造を金属またはガラス管１１内の真空に
封入する。（ｆ）第一の電極６と第二の電極７の間に電圧Ｖｃを印
加し、基板１と半導体薄膜２と水素終端面３からなる試
料を加熱する。第三の電極と第一の電極の間にＶｐを印
加する。ここで、Ｖｐ＞Ｖｃ／２を満たすようにする。
前記試料表面より放出される電子は蛍光体１０で衝突
し、蛍光体１０が発光する光をガラス板８を通して大気
中で得ることができる。

【００１１】本実施例において、試料をフッ酸に浸し、
半導体表面上に水素終端面を形成することにより半導体
薄膜表面に酸化膜が形成されないようにすることができ
る。また水素終端面を作る工程は、真空中に半導体表面
を水素ラジカルに曝すことでも可能である。酸化膜が形
成されなければ、表面での高いエネルギー障壁が存在し
ないため効率良く電子を取り出すことができる。

【００１２】図４は試料をフッ酸に浸す工程を入れた場
合と入れない場合の素子の電流値と比較したものである
が１００Ｖで約１０倍電流値が増加した。

【００１３】本発明の実施例１の素子の動作原理を図３
（ｂ）で示す。本発明では半導体薄膜は加熱され高温に
なるので、室温ではドナー準位に捕獲されていた電子は
熱エネルギーによって効率良く伝導帯に供給される。伝
導帯端から真空準位への障壁の高さが低くなるので、効
率良く電子は真空中へ放出される。

【００１４】図５は室温のままの従来の素子の電流値と
５００℃に加熱した素子の電流値を比較したものである
が、約１００倍電流値が増加した。試料の加熱において
は、近傍にヒーターを置き、そこからの熱の輻射によっ
ても加熱することができるが、その場合ヒーターやその
近傍から脱ガスが生じ、半導体薄膜表面を汚染してしま
う。このため試料に直接２つの電極を形成し、試料のみ
を効率良く加熱することが重要である。

【００１５】（実施例２）次に、実施例２について半導
体薄膜中に印加された電界によって電子を加速する例に
ついて図２に基づき説明する。（ａ）導電性を有する炭化シリコン基板１を用意する。（ｂ）炭化シリコン基板１上にドナー不純物濃度１０¹⁸
／ｃｍ³以上のｎ型窒化アルミニウム半導体膜２１を堆
積させる。（ｃ）次に不純物を添加しない厚さ０．０５ミクロンの
ｉ型窒化アルミニウム半導体薄膜２２を堆積させる。（ｄ）前記試料をフッ酸に浸す。ｉ型窒化アルミニウム
薄膜２２上には水素終端面３が形成される。（ｅ）前記試料の裏面に第一の電極４を形成する。また
表面に第二の電極５を形成する。（ｆ）前記試料表面の近傍の対向する位置に導電性の酸
化すず９と蛍光体１０を塗付したガラス板８を第三の電
極として作製する。（ｇ）全ての構造を金属またはガラス管１１内の真空に
封入する。（ｈ）第二の電極５が正になるように第一の電極４との
間に電圧Ｖｇを印加し、高抵抗な半導体薄膜２２に電界
が掛かるようにする。第三の電極が正になるように第一
の電極の間にＶｐを印加する。ここで、Ｖｐ＞Ｖｇを満
たすようにする。前記試料表面より放出される電子は蛍
光体１０に衝突し、蛍光体１０が発光する光をガラス板
８を通して大気中で得ることができる。

【００１６】本発明の実施例２の素子の動作原理を図３
（ｃ）で示す。

【００１７】本実施例ではｎ型半導体厚膜で電子を供給
し、その上の無添加の高抵抗のｉ型半導体薄膜に印加さ
れる電界で電子を加速し、弾道弾的に真空準位を乗り越
えて電子を放出させるものである。

【００１８】図６は従来のｎ型層一層の試料と本発明の
ｎ型層とｉ型層の二層構造にしたものの電流値の比較で
ある。ｉ型層の厚さが０．１ミクロン以下で電流値は１
００倍以上に増加した。

【００１９】（実施例３）図７は本発明の電子素子を高
周波増幅素子に応用した例である。

【００２０】図１（ｆ）の次に酸化シリコン膜１２を堆
積させ、その上に第四の電極１３を形成する。さらに、
第四の電極１３に対向する位置に第三の電極１４を設置
する。第四の電極１３にグリッド電圧Ｖｇを印加し、第
三の電極１４にプレート電圧Ｖｐを印加することによっ
て、高周波増幅素子として動作させることができる。

【００２１】遮断周波数として１５０ＧＨｚで動作させ
ることができた。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば電子放出効率を著しく向
上させることができる。電子素子の電子放出効率が向上
すれば、放出された電子で蛍光体を発光させることがで
き、ブラウン管に代わる低電圧、低消費電力の平面発光
ディスプレイを作ることができる。また電子管を微細化
できるので、半導体素子に代わる高周波デバイスを作製
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る電子素子の作製方
法を示す工程断面図である。

【図２】本発明の実施例２に係る電子素子構造の作製方
法を示す工程断面図である。

【図３】従来の電子素子（ａ）と本発明の実施例に係る
電子素子（ｂ）（ｃ）の動作原理を示すバンドダイヤグ
ラムである。

【図４】従来の電子素子と本発明の実施例に係る電子素
子の特性の比較を示すグラフである（フッ酸浸漬工程の
有無）。

【図５】従来の電子素子と本発明の実施例に係る電子素
子の特性の比較を示すグラフである（加熱の有無）。

【図６】従来の電子素子と本発明の実施例に係る電子素
子の特性の比較を示すグラフである（ｉ層厚さ依存
性）。

【図７】本発明の実施例に係る電子素子を高周波増幅素
子に応用した例を示す断面図である。

【図８】従来の電子素子構造の作製方法を示す工程断面
図である。

【符号の説明】

１基板２半導体薄膜２１ｎ型半導体薄膜２２ｉ型半導体薄膜３水素終端面４第一の電極（カソード１）５第二の電極（グリッド）６第一の電極（カソード１）７第二の電極（カソード２）８ガラス板９導電性酸化すず（第三の電極、プレート）１０蛍光体１１真空封止用ガラス管１２シリコン酸化膜１３第四の電極（グリッド）１４第三の電極（プレート）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ型不純物を添加した半導体薄膜表面が
水素で終端されており、前記半導体薄膜の一端に第一の
電極を有し、他端に第二の電極を有し、前記半導体薄膜
表面に対向する位置に第三の電極を有し、第一の電極と
第二の電極の間に電圧を印加し前記半導体薄膜を加熱
し、第一の電極と第二の電極の電位の平均値を基準に第
三の電極の電位が正になるように第三の電極に電圧を印
加し、真空中において前記半導体薄膜表面より電子を放
出させることを特徴とする電子素子。
【請求項２】導電性を有する基板の面上にｎ型不純物
を添加した半導体薄膜が堆積されており、さらにその上
に０．１ミクロンより薄いノンドープ半導体薄膜が堆積
されており、前記ノンドープ半導体薄膜表面が水素で終
端されており、前記基板に第一の電極を有し、前記ノン
ドープ半導体薄膜に第二の電極を有し、前記ノンドープ
半導体薄膜に対向する位置に第三の電極を有し、第一の
電極を基準に第二の電極に正の電圧を印加し、第二の電
極を基準に第三の電極に正の電圧を印加し、真空中にお
いて試料表面より電子を放出させることを特徴とする電
子素子。
【請求項３】前記半導体薄膜に窒化ガリウム、窒化ア
ルミニウム、窒化ボロンもしくはこれらの化合物半導
体、またはダイヤモンドを用いることを特徴とする請求
項１または２記載の電子素子。
【請求項４】前記第三の電極を、蛍光体と導電性酸化
すずを塗付したガラス板に形成したことを特徴とする請
求項１ないし３のいずれか１項記載の電子素子。
【請求項５】前記半導体薄膜表面近傍に、第四の電極
を有し、第四の電極に印加する電圧で第三の電極に流れ
る電流を制御することを特徴とする請求項１ないし４の
いずれか１項記載の電子素子。
【請求項６】前記水素による終端は、半導体薄膜表面
をフッ酸に浸漬することまたは水素プラズマに曝すこと
によりなされていることを特徴とする請求項１ないし５
のいずれか１項記載の電子素子。